способ недопущения зарождения прогрессирующей лавины обвала покрытия, содержащего ребристые железобетонные плиты

Формула изобретения

Способ недопущения зарождения прогрессирующего обвала ребристых железобетонных плит покрытия лавиной и создания жесткого диска покрытия в его плоскости, заключающийся в том, что плиты покрытия выполняют двух- или трехпролетными, причем продольные ребра выполняют трубчатыми из овальных профилей с относительной высотой сечения h/b=3, при этом упомянутые плиты укладывают на стальные ригели в шахматном порядке, смещая их в продольном направлении друг относительно друга на 1/2 или 1/3 длины, овальные продольные ребра смежных плит неподвижно соединяют друг с другом проходящими сквозь них легированными болтами (сталь «40Х Селект»), гарантированно затягивают гайки гайковертом, этим предварительно напрягают ребра и тем самым объединяют упомянутые плиты покрытия в единое целое, образуют жесткий диск покрытия, опорные участки ребер плит неподвижно в единое целое соединяют аналогичными болтами с ригелем покрытия и тем самым исключают возможность обрушения новой системы покрытия лавиной.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к строительным конструкциям промышленных и гражданских зданий.

В настоящее время часто применяют покрытия, состоящие из ребристых железобетонных плит, опирающихся на ригели (стальные или железобетонные) [1,

с.37]. Действующие нормативные документы [2] предусматривают сварные соединения стальных закладных деталей ребер плит с ригелями. В практике проектирования и расчета принято считать такое покрытие жестким диском при заполнении щелей между ребер плит прочным, хорошо уплотненным мелкозернистым бетоном.

К сожалению, в возведенных в 60 70-е годы прошлого века сооружениях обычно в швах между плитами находится строительный мусор, а закладные детали плит покрытия часто плохо соединены с ригелями покрытия, а то и вовсе такие соединения отсутствуют.

К тому же присоединение плит к ригелям посредством сварных швов, соединяющих закладные детали, нетехнологично, а швы находятся в зоне, не доступной для контроля после монтажа конструкций! Поэтому дефекты соединений трудно обнаружить при обследовании конструкций. По данным Беляева Б.И. и Корниенко B.C. [3, с.198] чаще всего происходит обвал системы покрытия - 44% случаев обрушений.

Ярким примером технических нарушений, нарушающих целостность системы покрытия, является прогрессирующее обрушение конструкций покрытия цеха литейно-арматурного завода в г.Пензе [4], произошедшее лавиной.

Например, при демонтаже участка покрытия, грозящего обрушиться, обнаружилось, что некоторые из плит вовсе не соединены с ригелем!

Спусковым крючком, запускающим лавину обвала системы покрытия сооружения, чаще всего является падение одной из аварийных плит покрытия. Ввиду некачественного прикрепления плиты к ригелю одна из сторон плиты срывается с ригеля, удерживаясь вторым концом на параллельном ригеле. Разгоняясь по радиусу как маятник, она с силой ударяет по нижней части ригеля, что приводит к срыву с этого ригеля уже нескольких плит покрытия.

Зарождается лавина обрушения. Один из решетчатых ригелей не выдерживает. Происходит потеря устойчивости одного из сжатых стержней, что превращает ригель в механизм, и он обрушается. В Пензе [4, с.27] в прогрессирующее обрушение лавиной вовлеклось два пролета (24+18=42 м). Длина обвала составила 96 м (до температурного шва), площадь обвала - 96×42=4032 м². Об этом же свидетельствуют книги об авариях зданий и сооружений [3]. Таким образом, существующая система покрытий имеет массу недостатков и актуальность ее усовершенствования высокая!

За аналог примем техническое решение, разработанное Неждановым К.К. [4]. При разработке новой системы покрытия учтем новейшие технические решения, а именно - новые эффективные овальные в сечении профили, предложенные Неждановым К.К. [5], [6] и разработанные вместе с аспирантами.

Относительная высота овальных в сечении профилей h/b=3. При этом отношении и толщине овала t_o=0,5t_ст (где t_ст - толщина стандартного прокатного двутаврового профиля) момент сопротивления овала W_хо оказывается большим по отношению к моменту сопротивления стандартного двутавра [6] на 16 20%. То есть эффективность овальных профилей высокая и их следует широко применять. Моменты же инерции овальных профилей при изгибе J_хо больше по отношению к моментам инерции двутавров J_х, а моменты инерции овальных профилей на кручение J_{хо кр.} - в сотни раз больше.

В результате таких неоспоримых преимуществ очевидно, что продольные ребра железобетонных плит следует выполнять из овальных в сечении профилей.

Техническая задача изобретения - недопущение зарождения прогрессирующего, нарастающего лавиной обвала, развивающегося в системе покрытия сооружения, выполненного с использованием ребристых железобетонных плит, а также повышение надежности системы покрытия сооружения и, следовательно, снижение его стоимости с учетом срока эксплуатации.

Техническая задача по способу недопущения зарождения прогрессирующего, нарастающего лавиной обрушения в системе покрытия, содержащего ребристые железобетонные плиты, и создания жесткого диска покрытия в его плоскости решена следующим образом.

Недопущение зарождения прогрессирующей лавины обвала покрытия заключается в том, что плиты покрытия выполняют двух- или трехпролетными, причем продольные ребра выполняют из овального трубчатого профиля с относительной высотой сечения h/b=3.

При этом упомянутые плиты укладывают на стальные ригели в шахматном порядке, смещая их в продольном направлении относительно друг друга на 1/2 и 1/3 длины с взаимной перевязкой швов. Овальные продольные ребра смежных плит соединяют друг с другом в единое целое проходящими сквозь ребра легированными болтами. Гайки болтов гарантировано затягивают гайковертом и этим предварительно напрягают ребра и, тем самым, образуют жесткий диск покрытия, работающий слитно как единое целое.

Опорные участки ребер плит неподвижно соединяют аналогичными болтами с ригелем покрытия и, тем самым, исключают возможность возникновения прогрессирующей лавины обрушения в новой системе покрытия.

На фиг.1 показан узел соединения плит покрытия со стальным ригелем; на фиг.2 - узел верхнего пояса железобетонного ригеля с закладной деталью для крепления плит покрытия; на фиг.3 - схема расположения плит покрытия в плане; на фиг.4 - расчетная схема двухпролетной плиты покрытия; на фиг.5 - поперечное сечение продольного ребра плиты покрытия, усиленного на опоре двумя листами сечением 64·5 мм; на фиг.6 - расчетная схема плиты (для определения прогиба); на фиг.7 - расчетная схема поперечных ребер плиты покрытия.

Недопущение зарождения лавины обвала покрытия заключается в том, что каждую плиту покрытия выполняют двух- или трехпролетной (трехпролетные плиты экономичней двухпролетных, но более громоздки). Продольные ребра 1 выполняют трубчатыми, из овальных профилей с относительной высотой сечения h/b=3 [6]. Поперечные ребра 2 выполняют также из овальных трубчатых профилей. То есть плита снабжена стальным каркасом. Верхняя поверхность плиты 3 выполнена железобетонной, армированной стальной сеткой. Овальные продольные ребра 1 над средней опорой усилены опорными пластинами 4 из листов. Опорные пластины 4 снабжены отверстиями для анкерных болтов 5. Анкерные болты 5 затягивают гайковертами и неподвижно соединяют плиты покрытия с ригелями 6 в единое целое.

При этом упомянутые плиты укладывают на стальные или железобетонные ригели 6 в шахматном порядке, смещают их в продольном направлении по отношению друг к другу на 1/2 или 1/3 длины, то есть стыки плит выполняют не в одном сечении. Овальные продольные ребра смежных плит соединяют друг с другом проходящими сквозь них легированными шпильками 7 (сталь «40X Селект») [7, с.40]. Эти шпильки 7 предварительно напрягают ребра при гарантированной затяжке гаек гайковертом и, тем самым, образуют жесткий диск покрытия, объединяющий плоские рамы каркаса сооружения в единое целое.

Пример конкретной реализации. Расчет двухпролетной плиты покрытия, фиг.4. Расчетная нагрузка на плиту 2l=2·6=12 м (при ширине b=1,5 м)

q+s=560·1,5=840 кг/м=84 гН/м.

Расчетный изгибающий момент в пролете (длина одного пролета l=6 м)

Требуемый момент сопротивления двух продольных ребер в каждом из пролетов (сталь малоуглеродистая С255, Вст3сп5 ГОСТ 27772-88, расчетное сопротивление R_y =240 МПа, коэффициент условий работы =1)

.

Расчетный опорный изгибающий момент над средней опорой в два раза больше, чем момент в пролете (см. фиг.4)

Требуемый момент сопротивления двух продольных ребер над средней опорой

Принимаем два ребра из овальных в сечении труб. Овальное трубчатое сечение профиля получено из цилиндрической трубы 127×3 мм. Характеристики сечения трубы: площадь сечения - А=11,7 см², толщина стенки t_o=0,3 см; масса - m=9,17 кг/м.

Расстояние от центра овала до середины толщины его стенки (см. фиг.5)

Вертикальный габарит овала между верхней и нижней кромками сечения

h_о=2a+t _o=2·9,31+0,3=18,92 см.

Главный момент инерции одного овального профиля относительно оси X

Момент сопротивления одного ребра из овального профиля

Проверка прочности двух ребер при изгибе в пролете:

- прочность в пролете обеспечена.

На средней опоре продольные ребра из овальных профилей усиляем сверху и снизу листами сечением 6,4·0,5=3,2 см² (см. фиг.5).

Суммарная площадь усиленного сечения овального профиля и двух полок

A=A_o+2A_полки=11,7+2·3,2=18,1 см².

Высота усиленного сечения

h=h_o+2t_полки=189,2+2·0,5=199,2 см.

Момент инерции усиленного над опорой сечения относительно оси X.

Собственные моменты инерции элементов усиленного сечения: овального профиля и двух полок

Главный момент инерции J_X усиленного сечения

J_X=J_xсоб +2A_полки·(0,5h_o+t_полки) ²=380,59+2·3,2·(0,5·18,92+0,5)² =1015,48 см⁴.

Момент сопротивления усиленного сечения одного продольного ребра

.

Проверка прочности усиленного сечения двух продольных ребер над опорой:

- прочность обеспечена.

Определяем относительный прогиб плиты, фиг.6.

Прогиб от нормативной равномерно распределенной нагрузки в середине пролета

Относительный прогиб от равномерно распределенной нагрузки [9, с.374, табл.8.1.3]

Относительный выгиб вверх от опорного момента M_on [9, с.381, табл.8.1.3]

Суммарный относительный прогиб

- прогиб отсутствует.

Определяем массу овальных продольных ребер плиты длиной 11980 мм.

Площадь сечения одного овального продольного ребра A_o=11,7 см²; масса 9,17 кг/м.

Площадь сечения усиленного над опорой одного овального продольного ребра

A=A_o+2A_полки=11,7+2·3,2=18,1 см².

Масса ребра длиной 1 м

m=7,85·100·11,7/1000=9,18 кг/м.

Площадь сечения двух усиляющих полок длиной по 1,5 м

2A _полки=2·3,2=6,4 см².

Масса одного овального ребра при длине l=11,98 м - m=9,18·11,98=110 кг; двух овальных ребер (l=11,98 м) - 2·110=220 кг; четырех усиляющих полок (l=1,5 м) - m=10 кг.

Поперечные ребра (используем ребра из стального листа t=0,4 см) устанавливаются с шагом 1,5 м.

Расчетный изгибающий момент (см. фиг.7)

Требуемый момент сопротивления поперечного ребра

Высота ребер

Масса девяти поперечных ребер длиной 150-2·7=136 см

m=5,21·9=46,9 кг.

Масса стали в двухпролетной плите m=220+10,04+46,9=276,9 кг.

Железобетонную плиту принимаем толщиной t=3,0 см.

Масса плиты m=(12·1,5·0,03)·2500=1350 кг.

Суммарная масса двухпролетной плиты (сталь+железобетон) l=11,98 м

m=276,9+1350=1626,9 кг.

	бетон		сталь	итого:
Масса плиты	было	2·1500	+	2·67,5=	3135 (100%)
(два пролета), кг	стало	1350	+	276,9=	1686,9 (54%)

Уменьшение массы составило 3135-1686,9=1448,1 кг.

Площадь плиты 2·1,5·6=18 м² (два пролета), следовательно, временная нагрузка может быть увеличена на 1448,1/18=80,45 кг/м². Т.е. новая плита предназначена для нагрузки 560+80,45=640,45 кг/м² и примерно эквивалентна серийной плите

с расчетной нагрузкой 640 кг/м² (расход бетона марки 300-1500 кг, стали - 67,5 кг).

Плиту бетонируют на ровной площадке в перевернутом виде. Опалубочной формы не требуется.

Длина половины накладки 0,5l _н=l/8=6/8=0,75 м в каждую сторону от средней опоры. Вся накладка l_н=1,5 м. Сечение одной 6,4·0,5 см (A=3,2 см²).

Масса четырех накладок 2,512·4=10,04 кг.

Масса двух овалов 2·9,17·6=110,04 кг.

Спецификация. Сталь ВС3сп5 (ГОСТ 27772-88)
Марка	дет.	Сечение, мм	Длина, мм	Количество	Масса, кг	Примеч.
т	н	одной	всех	марки
Плита	1	овал 189·0,3	11980	2		219,7	439,4		из трубы 127·3
2	64·5	1500	4		2,51	10,04	475,9	накладки
3	122·4	1380	5		5,29	26,43		поперечные ребра
Примечание. Плита двухпролетная.

Сопоставление с прототипом показывает следующие технические преимущества, а именно:

1. Исключена возможность возникновения лавины прогрессирующего обвала покрытия.

2. Снижена материалоемкость и масса покрытия.

3. Повышена надежность всего сооружения.

4. Снижена трудоемкость монтажа конструкций.

Литература

1. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов. В 2-х частях. Ч.2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. - М. Высш. Шк., 1989-264 с.

2. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования / Госстрой России - М.: ГУЛ ЦПП, 2000.

3. Беляев Б.И., Корниенко B.C. Причины аварий зданий и сооружений и способы их устранения. «Стройиздат». М., 1968 - 208 с.

4. Нежданов К.К., Кузин Н.Я. О снижение опасности лавинообразных обрушений покрытия промышленного здания в аварийной ситуации.// Промышленное строительство - 1991, № 7 - с.27 29.

5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов В.А., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России № 2192381. М., Кл. В66С 6/00, 7/08. Бюл. № 31. Зарег. 10.11.2002.

6. Нежданов К.К., Туманов В.А., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. Патент России № 2304479. Бюл. № 23. Опубликовано 20.08.2007.

7. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. / Госстрой СССР. - М. ЦИТП Госстроя СССР, 1990-96 с.

8. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций. - Днепропетровск: Промiнь, 1975 - 273 с.

9. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. /Под ред. А.А.Уманского. - М.: Стройиздат, 1960 - 1040 с.

10. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учебн. заведений. / [Е.И.Беленя, B.C.Игнатьева и др.]; под ред. Ю.И.Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 - 688 с.